Förbehandling av kommunalt avloppsvatten före anaerob behandling



Relevanta dokument
Kombinera skivfilter med kemisk fällning. Pille Kängsepp

Inledning. Humusavskiljning med sandfilter. Humusavskiljning med sandfilter. -Focus på kontinuerliga kontaktfilter för bättre COD-reduktion

RENT VATTEN KRÄVER MYCKET RENA LÖSNINGAR. Water Treatment Chemicals

Kemisk fällning av avloppsvatten kan

KEMISK FÄLLNING AV DAGVATTEN

Lokalt reningsverk för Hammarby Sjöstad, etapp 1. Kemisk fällning och flockning av avloppsvatten med flotation som förbehandling till omvänd osmos

Optimering av trumfilter för behandling av avloppsvatten

Hur reningsverket fungerar

MBBR - Nu och i framtiden

Ytvattenrening

6220 Nynashamn Sida 3. Nynäshamns avloppsreningsverk

Välkommen på Utbildningsdag. Processer i avloppsreningsverk

Årsrapport för mindre avloppsreningsverk

PROCESS EL ENTREPRENAD INSTALLATION - AUTOMATION. Ytvattenrening

Är aeroba granuler något för svensk avloppsrening? Britt-Marie Wilén Institutionen för Bygg- och miljöteknik Avdelningen för Vatten Miljö Teknik

Läkemedel i avloppsvatten. Marinette Hagman, NSVA, Sweden Water Research och Michael Cimbritz, LTH

Optimering av kemikaliedosering i Rosviks avloppsverk

Membranfiltrering och fällning för behandling av kommunalt avloppsvatten

Pilotförsök Linje 1 MembranBioReaktor

Lokalt reningsverk för Hammarby Sjöstad, etapp 1. Utvärdering av fluidiserad bädd - kartläggning av orsaker till sandflykt

Informationsmöte på Margretelunds reningsverk. Mikael Algvere AOVA chef

Biogas i skogsindustrin. Anna Ramberg, Holmen (Hallsta Pappersbruk)

Kemisk och mekanisk rening av bräddvatten

Kemisk fosforrening på Ryaverket en utvärdering med hjälp av faktorförsök på två nivåer

Årsrapport för mindre avloppsreningsverk

BMP-test Samrötning av pressaft med flytgödsel. AMPTS-försök nr 2. Sammanfattning

ÅSEDA AVLOPPSRENINGSVERK

Entreprenadlösningar i större projekt

Och vad händer sedan?

MembranBioreaktor (MBR) Tekniken som ger en ökad kapacitet och bättre rening

VAD ÄR AVLOPPSVATTEN? VARFÖR BEHÖVS AVLOPPSVATTENRENING? AVLOPPSRENINGSVERKETS DELAR

Utvärdering av flotationsanläggningen vid Sjölunda avloppsreningsverk i Malmö

Förbehandling av kommunalt avloppsvatten genom förfällning i kompaktanläggning

Actiflo. - för bibehållen sjövattenmiljö

Metallinnehåll i vattenverksslam

Utvärdering av reningsfunktionen hos Uponor Clean Easy

Strategier för att effektivisera rötning av substrat med högt innehåll av lignocellulosa och kväve

Rapport av elektrokemisk vattenreningsanläggning. Britta Lindholm- Sethson, Kenichi Shimizu, Torgny Mossing.

KILENE AVLOPPSRENINGSVERK. Hammarö kommun

Anammox - kväverening utan kolkälla. Var ligger forskningsfronten? E. Płaza J.Trela J. Yang A. Malovanyy

Anaerob behandling av hushållsavloppsvatten vid låga temperaturer

Skandinavisk Ecotech. Carl-Johan Larm vvd Produktchef

Vatten och avlopp i Uppsala. Av: Adrian, Johan och Lukas

Exempel på olika avloppsanordningar

CANDOR Sweden AB. n

ENGLISH SUMMARY Laboratory method for evaluation of Aquaflock for wastewater treatment

RÖTNINGENS MIKROBIOLOGI NÄRINGSLÄRA BIOGASPROCESSEN PROCESSDRIFTPARAMETRAR PROCESSTÖRNING

- Green Rock AquaStone - sten med fällningskemikalie (Patentsökt)

SÄTTERSVIKENS AVLOPPSRENINGSVERK. Hammarö kommun

Avancerade reningskomponenter för dagvattensystem innovativ dagvattenhantering

Laboratorier MoRe Research Örnsköldsvik AB Örnsköldsvik Ackrediteringsnummer A

Vi är experter på rening av vätskor, både kemiskt och mekaniskt. Vårt kompetensområde är rena vattnet

BEHANDLING AV AVLOPPSVATTEN


Biogasanläggning Energibesparing med avloppsvatten Peter Larsson ver 2

Lösningar för att möta nya krav på reningsverk ÄR MBR teknik lösningen på de ny kraven?

Läkemedelsrester i avloppsvatten och slam

Stockholms framtida avloppsrening MB Komplettering

Kan mikrobiell elektrokemi tillämpas inom avloppsvattenrening?

Stigebr andt Hydroteknik o c h vår syn på IN dustriell o ch kommunal vat tenrening.

Bio P nätverket Var kom det ifrån och vart är vi på väg?

Lyft produktionen med rätt vattenrening

Utsläppsvillkor och funktionellt krav på reningsverket och ledningsnätet.

Spillvatten- bestämmelser för Skövde kommuns allmänna VAanläggning. Beslutad av kommunfullmäktige 15 december 2014, 174. Dnr KS2014.

KEMISK RENING EGENKONTROLL PROVTAGNINGSMETODIK

Varför byggde vi skivfilter och MBBR?

Biofilmsprocess med rörligt bärarmaterial för nedbrytning av läkemedelsrester. Sofia Johannesson

Länsstyrelsen Västra Götalands län. Minireningsverk och kemisk fällning i slamavskiljare. Vad är ett minireningsverk. Kemisk fällning av fosfor

Lokalt reningsverk för Hammarby Sjöstad, etapp 1. Utvärdering av förfällning vid Sjöstadsverkets anaeroba UASB-linje

KÄLLBY AVLOPPSRENINGSVERK

Utveckling av membranbaserade analysmetoder och mätning av läkemedelsrester i avloppsvatten och slam

Dricksvattenkvalitet och distribution

Rötning Viktiga parametrar

Energieffektiv vattenrening

Lennart Mårtensson Docent miljöteknik

Entreprenörsfredag Borås

TENTAMEN i Kommunal och industriell avloppsvattenrening

Långtgående reningskrav vid återanvändning av renat avloppsvatten till dricksvatten. Barriärtänkande kring organiska substanser

Vatten och luft. Åk

RENING AV KVÄVEHALTIGT GRUVVATTEN. Seth Mueller. VARIM 2014 (Jan-Eric Sundkvist, Paul Kruger)

BIO P PÅ KÄLLBY ARV. Elin Ossiansson Processingenjör

Går igenom populärversion av aktivt slam. Hur man kontrollerar slam visuellt Vad händer när det blir slamflykt och flytslam Vad bör man tänka på när

BDT-vatten Bad-, Disk- och Tvättvatten från hushåll, även kallat gråvatten och BDT-avlopp.

PRISLISTA VA Kvalitetskontroll

HUBER Membranteknologi

RENINGSVERKETS MIKROBIOLOGI BIOLOGISKA RENINGSSTEGET KVÄVETS KRETSLOPP KEMISK RENING

Henriksdals avloppsreningsverk. För stockholmarnas och miljöns bästa

Utökad förfällning vid Henriksdals reningsverk

Karakterisering av fosfors bindning till slam beroende på fosforavskiljningsmetod i huvudströmmen

Norsborgs vattenverk. Vatten i världsklass till över en miljon människor, dygnet runt året runt.

Magnus Arnell, RISE Erik Lindblom, Stockholm Vatten och Avfall

ESKILSTUNA ENERGI & MILJÖ VATTEN & AVLOPP LABORATORIUM

Exempel på olika avloppsanordningar

Exergi och avloppsreningsverk

Översikt över befintliga och nya tekniker för förbehandling av slam före rötning. VA-teknik

Biologisk råvattenbehandling med avseende på järn och mangan vid dricksvattenproduktion

Växjö väljer termisk hydrolys varför och hur?

VA-forskning och VA-utbildning i södra Sverige

markbädd på burk BIOROCK Certifierad avloppsvattenrening på burk utan el.

Chemimix VRU, framtidens mobila reningsanläggning levererad av Chemical Equipment AB för olika typer av förorenade vatten.

Transkript:

Avdelningen för Vattenförsörjnings- och Avloppsteknik Förbehandling av kommunalt avloppsvatten före anaerob behandling Delprojekt inom Hammarby Sjöstad - anaeroba processer, i uppdrag av Stockholm Vatten AB Examensarbete av Jessica Bengtsson, Ekosystemteknik Lund, juni 2003

Avdelningen för Vattenförsörjnings- Och Avloppsteknik Lunds Tekniska Högskola Lunds Universitet Department of Water and Environmental Engineering Lund University of Tchnology University of Lund, Sweden Förbehandling av kommunalt avloppsvatten före anaerob behandling Delprojekt inom Hammarby Sjöstad - anaeroba processer, på uppdrag av Stockholm Vatten AB. Pretreatment of domestic wastewater ahead of anaerobic treatment Laboratory study for Hammarby Sjöstad anaerobic processes, Stockholm Vatten AB Master s Thesis no 2003-03 Bengtsson Jessica, Ekosystemteknik, LTH, Lund Handledare/ Supervisor: Lars-Erik Olsson, Anox AB Daniel Hellström, Stockholm Vatten AB Michael Ljunggren, doktorand, VA-teknik, LTH Examinator: Professor Erik Särner Abstract Laboratory study for evaluation and recommendations of chemical precipitation and flocculation agents for particle separation. Intended to find out successful pretreatment processes ahead of anaerobic treatment for the wastewater of Hammarby Sjöstad, prioritizing environmental costs. Keywords: flocculants, coagulants, organic polymers, natural flocculants, metal salt, sedimentation, domestic wastewater, UASB, fluidized bed (FB), environmental costs Sökord: fällningskemikalier, flockningsmedel, polymerer, naturliga fllockningsmedel, sedimentering, kommunalt avloppsvatten, UASB, fluidiserad bädd (FB), miljökostnader Postal address: Visiting adress: Telephone: Telefax Box 118 John Erikssons väg 1 +46 46-222 00 00 +46 46 222 42 24 SE 221 00 Lund Web adress: Sweden www.vateknik.lth.se

Summary Summary Hammarby Sjöstad is a new constructed area in Stockholm with focus on ecological solutions. The households will have lower water consumption, i.e. 100 l/d/p. For that reason the water will have a higher concentration of organics and nutrients, and therefore it might be interesting to treat the water separately. To investigate which treatment process that is suitable for the water in Hammarby Sjöstad, a pilot-plant has been built where Stockholm Vatten AB will evaluate different treatment processes. The experiments will continue until 2005, when it will come to a decision about a full-scale treatment plant. During the experimental work both aerobic and anaerobic processes will be tested. Two different anaerobic processes are tested, i.e. UASB (Up flow Anaerobic Sludge Blanket) and FB (Fluidized Bed). Both sedimentation and flotation are considered as separation processes. The report is limited to search for and evaluate different precipitation and flocculent aids for particle separation ahead of anaerobic treatment for the wastewater of Hammarby Sjöstad. Traditionally precipitation in wastewater treatment processes is focused on phosphate reduction, for anaerobic processes the reason is another. To maintain a high efficiency of the anaerobic processes it is important to have a high removal rate of suspended solids. A low retention time in the reactors and a low temperature, give rise to a low hydrolysis rate and acidification, which make it impossible to degrade large particles. Therefore they will accumulate in the chamber and decrease the efficiency of the processes. Suitable precipitation and flocculent aids will obtain a high removal rate of suspended solids, a low COD-removal, and have a low effect on influent ph according to dose. Most applied precipitation and flocculent aids are metal salts of aluminum and ferric and synthetic polymers. To develop more sustainable systems it is important to find other alternative products. Former research on tannins, chitosan, starch, surface active proteins and bioflocculants indicate that natural flocculants have potential to remove both suspended solids and phosphate. A low inquiry and high cost restrict the development of such products. Companies which offer flocculation products have been contacted to test their products. Some of the products tested are suggested by traders and others were explored assuming they were having lower environmental cost, i.e. an evaluation of their environmental effect. Since there are no calculations done in the report, the environmental costs are only assumptions based on earlier references. A limited offer of natural flocculants are tested, i.e. tannins (Betafloc KGK 20-03, SNF France) and starch (Purfix 120, Archemi AB, Sweden). Other products are polymerized metal salts of aluminum (PAX-XL 36, PAX-XL60, PAX-XL100, Ekofloc 71, Ekofloc 91), ferric- and aluminum products (BAGA 10, Ekomix 1091), ferric chloride (PIX-111), ferric sulphate (PIX- 118), synthetic anionic polymers of polyacrylamide (Superfloc A-150, Fennopol A321, Fennopol A305, Magnafloc 919, Magnafloc 338, Zetag), and synthetic cationic polymers (Zetag7125, Zetag 7109 and Superfloc C-577). All products have been analyzed for removal of turbidity and suspended solids and ph influence. Most effective products have been further analyzed for COD, TS, VS and sludge production. Product efficiency is related to dose and environmental costs. 5

Summary The conclusions are: The wastewater of Hammarby Sjöstad has a high ph 8-8.5. A high ph reduces the effect of precipitation agents, particularly the ferric salts. The polymerized polyaluminum products still proceed for particle separation. PAX-XL36, BAGA 10 and Ekomix 1091 indicated a high reduction of suspended solids at low doses. Doses of 4.6 mg Al 3+ /l, 8.3 mg Me 3+ /l respectively 10.6 mg Me 3+ /l, provided 70, 76 respectively 79 % SS-reduction. PIX-111 in combination with a cationic polymer is a well functioning alternative to the aluminum based products. Superfloc C-577 and Zetag 7125 provide a high SS-reduction. The experiment at a dose of 25 mg/l polymer perform 80 respectively 87 % SS-reduction. Both products may be used on its own or in combination with a metal salt. Purfix 120 is a polymer of potato starch, and has a lower effect than the synthetic polymers. At higher doses it provides a proficient SS-reduction, 92 % reduction at a dose of 50 mg/l. Anionic polymers are added to increase the flocculation rate and create stronger flocks. The concentration that requires obtaining an effect is low. During the experiments synthetic anionic polymer was added at a dose of 0.25 mg/l and Betafloc KGK-2003 (tannins) at 10 mg/l. Polymers don t increase the sludge production. Metal salts are cost effective products, especially the aluminum based products i.e. PAX- XL36. PIX-111 in combination with cationic polymer or cationic polymer on its own may be a cost effective alternative as well, due to its lower environmental costs. Anionic polymers are cheaper, due to the low dose required. They are a complement to the cationic products, to create stronger and larger flocks Following products are suggested to test in the pilot plant: - PAX-XL36 - Zetag 7125, Superfloc C-577 and Purfix 120 - PIX-111 in combination with cationic polymer, i.e. Superfloc C-577 - Superfloc A-150, Magnafloc 919 and Betafloc KGK 20-03 indicated to be successful flocculants and therefore interesting for further experiment, if anionic polymer needs to be added. 6

Sammanfattning Sammanfattning Hammarby sjöstad är en stadsdel i Stockholm som är under ombyggnad. Målsättningen är att skapa en stadsdel som ska vara dubbelt så bra, vad gäller miljöpåverkan jämfört med normal nybyggnation under 1990-talet. Delmålen är bla att hushållen ska ha en halverad vattenförbrukning och lokal hantering av dagvatten. Därför diskuteras det om man för området ska bygga ett separat reningsverk för att behandla dess avloppsvatten. Inför detta beslut genomför Stockholm Vatten AB ett demonstrationsförsök för att utvärdera olika reningsprocesser för behandling av avloppsvatten. Försöksanläggningen består av fyra försökslinjer, två aeroba och två anaeroba processer. De två anaeroba processerna som ska testas är Fluidiserad Bädd (FB) och Up flow Anaerobic Sludge Blanket (UASB). FB har ett bärarmaterial av sand eller lermaterial på vilket bakterierna växer. I UASB reaktorn bildar bakterierna granuler. För att få en effektiv process är det viktigt att avskilja suspenderat material innan det fortsätter in i de anaeroba processerna. Denna rapport syftar till att undersöka olika fällnings- och flockningsmedels potential för partikelfällning av Hammarby Sjöstads avloppsvatten. Produkter har jämförts med avseende på dosering, reduktion av SS och COD, slamvolym samt miljöbelastning. Målet är att finna alternativ som ger en bra partikelreduktion, med en låg COD-reduktion till en låg miljökostnad. Försöken har utförts i laboratorieskala med Kemira miniflockulatorer som fällnings- och sedimenteringskammare. Samtliga tester har gjorts med sedimentering som avskiljningsmetod. Försöken har delats upp i en screeningfas och en optimeringsfas. Traditionella fällnings- och flockningsmedel utgörs av metallsalter av järn och aluminium och syntetiska polymerer. För att utveckla mera hållbara system är det intressant att finna alternativ till dessa. Tidigare forskning och utveckling har gjorts för tanniner, chitosan, stärkelse, ytaktiva protein och bioflockulenter och indikerar att det finns möjliga alternativ till de kommersiella produkter som används idag för partikelfällning och fosfatreduktion. Knapp efterfrågan och höga kostnader medför en olönsam produktutveckling. Förutom att försöka testa ett varierat utbud av produkter har rekommendationer av produktleverantörer legat till grund för produkturvalet. De metallprodukter som testats är polyaluminiumklorider ( Ekofloc 71, Ekofloc 91, PAX-XL36, PAX-XL60, PAX-XL100), järnklorid(pix-111), järnkloridsulfat (PIX-118) och två produkter med både aluminium och järn (Ekomix 1091 och BAGA 10). De polymerer som testats är syntetiska katjoniska polymerer (Zetag 7125, Zetag 7109 och Superfloc C-577), syntetiska anjoniska polymerer (Magnafloc 919, Magnafloc 338, Superfloc A-150, Fennopol A321, Fennopol A305), samt två flockningsmedel av förnyelsebara råvaror (anjonisk polymer av tannin Betafloc KGK 20-03 och Purfix 120 katjonisk stärkelsebaserad polymer). Produkturvalet visar på att antalet naturliga fällnings- och flockningsmedel är begränsat. Samtliga produkter testades under screeningfasen. De katjoniska produkternas effekt värderades med avseende på reduktion av suspenderat material (SS) och turbiditet. De produkter med hög SS-reduktion i förhållande till dos testades ytterliggare under optimeringsfasen. De parametrar som analyserades under optimeringsfasen var SS och COD på klarfasen, slamvolym, TS och VS på slamfasen. 7

Sammanfattning Resultaten sammanfattas i följande punkter: Vattnet har ett högt ph 8-8.5. Detta missgynnar metallprodukterna, speciellt järnsalterna. Ett högt ph påverkar även aluminiumprodukterna, men de fungerar likväl för partikelfällning. PAX-XL36, BAGA 10 och Ekomix 1091 gav bäst SS-reduktion i förhållande till metalldos. Produkterna uppnådde 70, 76 och 79 % SS-reduktion vid försök med en metallhalt på 4.6, 8.3 respektive 10.6 mg Me 3+ /l avloppsvatten. PIX-111 i kombination med katjonisk polymer kan fungera som ett alternativ till aluminiumprodukterna. Superfloc C-577 och Zetag 7125 har en effektiv SS-reduktion. Försöken gav 80 och 87 % SSreduktion med 15 mg/l av Superfloc C-577 (tetraamin) respektive Zetag 7125 (polydadmac). De kan användas enskilt eller i mindre dos tillsammans med metall för att minska metalldosen. Purfix 120 består av potatisstärkelse och har lägre effekt än de syntetiska polymererna. Högre doser ger bra SS-reduktion. 50 mg Purfix 120 per liter avloppsvatten åstadkom 92 % SSreduktion. Anjoniska polymerer skapar större flockar som är mindre porösa. Mängden anjonisk polymer som behöver tillsättas för effekt är mycket liten.. För optmeringsförsöken tillsattes 0.25 mg/l av de anjoniska polymererna och 10 mg/l Betafloc KGK 20-03. PIX-111 i kombination med katjonisk polymer och Ekomix 1091 högst slamproduktion i förhållande till SS-reduktion, 1.2-1.4 respektive 1.4. Anjonisk polymer påverkar ej slamproduktionen. Purfix 120 har lägre slamproduktion än metallprodukterna. Slamproduktionen för enbart syntetiska katjoniska polymerer har inte analyserats. Metallsalter är kostnadseffektiva produkter, framförallt aluminiumprodukterna. Kostnaden att använda katjonisk polymer eller en kombination av PIX-111 med katjonisk polymer kan vara ett kostnadseffektivt alternativ, då det är ett mindre miljöbelastande alternativ. 8

Sammanfattning De anjoniska polymererna är billigare. De används som ett komplement till de katjoniska produkterna i små doser och kan därför inte jämföras med metallsalterna och de katjoniska polymererna. De produkter som kan vara intressanta att testa i försöksanläggningen är: - PAX-XL36 - Zetag 7125, Superfloc C-577 och Purfix 120 - PIX-111 i kombination med Superfloc C-577 - För samtliga produkter kan anjonisk polymer ha en positiv inverkan. Superfloc A-150, Magnafloc 919, alternativt Betafloc KGK 20-03 kan vara intressanta att testa. Fortsatta studier av intresse är doseringsmetod, miljökostnader för de utvalda produkterna och slambehandling. 9

Förord Förord Examensarbetet är utfört för Stockholm Vatten AB, som delprojekt av anaeroba metoder för Hammarby Sjöstad. Examination utförs av avdelningen för vattenförsörjnings- och avloppsteknik på Lunds Tekniska Högskola. Försök och rapport är utförda under vårterminen 2003. Lars-Erik Olsson på Anox AB, som är delaktig i de anaeroba processerna för Hammarby Sjöstad har varit handledare för arbetet. Michael Ljunggren, doktorand på avdelningen för VA-teknik på LTH, har varit till hjälp och stöd under arbetets gång. Erik Särner, professor på avdelningen för VA-teknik på LTH är examinator för examensarbetet. Jes la Cour Jensen professor på avdelningen för VA-teknik på LTH, har hjälpt mig att få fram naturliga flockningsmedel. Daniel Hellström, utvecklingsingenjör på Stockholmvattens avdelning Miljö- Utveckling och Process, är projektledare för de anaeroba processerna på Hammarby Sjöstad. Berndt Björlenius är projektledare för Sjöstadsverket och ansvarig för de aeroba processerna. Övriga gruppmedlemmar i gruppen för de anaeroba processerna Åke Nordberg, JTI, och Mats Edström, JTI. Stefan Remberger på Stockholm Vatten AB, kemisk analysansvarig på Sjöstadsverket. Rolf Wolfe, driftsansvarig, Henriksdals reningsverk. Elin Larsson, praktikant på Stockholm Vatten AB, Sjöstadsverket. Kontaktade företag som fungerat som diskussionsparter och hjälpt mig att få fram produkter och mätinstrument för försöken är Anders Pålsson, Kemira AB, Jonas Bengtsson, CDM AB, Knud Lund Pedersen, Bo Jensen AS, Catharina Andersson, Archemi AB. Bert Gustavsson, Alfa Miljöteknik AB och Rolf Berglund, Cerlic Controls AB. Ett stort tack till Er alla, för att ni har varit till hjälp med erfarenheter, produkter och kunskap, samt att ni visat ett stort intresse, som motiverat mig till detta arbete. Stockholm, 2003-05-24 Jessica Bengtsson 11

Innehållsförteckning Innehållsförteckning 1 INLEDNING... 15 1.1 SYFTE... 16 1.2 FÖRUTSÄTTNINGAR OCH MÅLSÄTTNING... 16 1.3 HYPOTESER...17 1.4 UTFÖRANDE... 17 2 BAKGRUND... 19 2.1 FÄLLNING OCH FLOCKNING... 20 2.1.1 Introduktion... 20 2.1.2 Mekanism... 21 2.1.3 Metallsalter och polymeriserade metallsalter... 22 2.1.4 Organiska polymerer... 23 2.1.5 Naturliga polymerer... 24 2.1.6 Faktorer som påverkar flockningsmekanismen... 26 2.2 SEPARATIONSPROCESSER... 27 2.2.1 Sedimentation... 27 2.2.2 Flotation... 27 2.3 ANAEROBA RENINGSPROCESSER AV KOMMUNALA AVLOPP... 28 2.3.1 Up flow Anaerobic Suspended Blanket (UASB)... 29 2.3.2 Fluidiserad Bädd (FB)... 29 2.4 PRODUKTVAL... 30 3 KARAKTÄRISTIK OCH RIKTLINJER FÖR HAMMARBY SJÖSTADS AVLOPPSVATTEN... 31 3.1 KARAKTÄRISTIK AV HAMMARBY SJÖSTADS AVLOPPSVATTEN... 31 3.1.1 Karaktäristik på inkommande vatten... 31 3.1.2 Dygnsvariationer... 31 3.2 RIKTVÄRDEN... 32 4 FÄLLNINGS- OCH FLOCKNINGSFÖRSÖK I LABORATORIESKALA... 33 4.1 ÖVERGRIPANDE FÖRSÖKSMETODIK... 33 4.1.1 Screening... 33 4.1.2 Optimering... 34 4.2 MATERIAL OCH METOD... 35 4.2.1 Fällnings- och flockningsmedel... 35 4.2.2 Analysmetoder... 37 4.3 UTFÖRANDE... 38 4.3.1 Provtagning... 38 4.3.2 Beredning av fällnings- och flockningsmedel... 38 4.3.3 Försök... 39 5 RESULTAT OCH DISKUSSION... 41 5.1 SCREENING... 41 5.1.1 Metallsalt... 41 5.1.2 Katjonisk lågmolekylär (LM) polymer... 42 5.1.3 Anjoniska HM polymerer i kombination med metallprodukter... 44 5.1.4 Försöksserier för Betafloc KGK 20-03 i kombination med metall... 46 5.2 OPTIMERING... 48 5.2.1 Produkter för fortsatta försöksstudier... 48 5.2.2 Optimering av katjoniska produkter i kombination med anjoniska polymerer... 49 5.2.3 Optimering av enskilda produkter... 55 5.3 PRODUKTKOSTNADER... 59 13

Innehållsförteckning 6 DISKUSSION OCH SLUTSATSER... 61 6.1 DISKUSSION...61 6.2 SLUTSATSER... 61 6.2.1 Rekommenderade produkter för partikelavskiljning för Hammarby Sjöstads avloppsvatten61 6.2.2 Förslag till fortsatta studier...63 7 FELKÄLLOR... 65 7.1 FÖRSÖK... 65 7.2 ANALYS... 66 8 REFERENSER... 67 8.1 ARTIKLAR... 67 8.2 BÖCKER... 68 BILAGOR 14

1 Inledning 1 Inledning Området kring Hammarbysjön är ett gammalt hamn- och industriområde som saneras för nybyggnation. Målsättningen är att skapa en stadsdel som ska vara dubbelt så bra, vad gäller miljöpåverkan jämfört med normal nybyggnation. Invånarna kommer att leva i en miljö- och kretsloppsanpassad stadsdel. Figur 1.1 Foto från Hammarby Sjöstad Stockholm Vatten, Fortum och Renhållningsförvaltningen har tillsammans utarbetat en gemensam kretsloppsmodell för Hammarby Sjöstad - "Hammarbymodellen", se figur 1.2. Figur 1.2 Hammarbymodellen 15

1 Inledning Miljömålen för Hammarby Sjöstads vatten och avlopp är bl. a. att hushållen ska ha en halverad vattenförbrukning, lokal hantering av dagvatten, högre krav på kväve- och fosforreduktion och att man ska minska mängden tungmetaller och andra farliga ämnen med 50 %. De högre ställda kraven och ett avloppsvatten med högre koncentrationer av organiskt material och näringsämnen kan göra det intressant att rena avloppsvattnet i ett separat reningsverk. För att undersöka eventuellt möjliga reningsmetoder kommer Stockholm Vatten genomföra en försöksstudie med olika alternativa reningsprocesser på en försöksanläggning belägen vid Henriksdals Reningsverk. Försöksanläggningen för Hammarby Sjöstadsverket är under konstruktion och ska sättas i drift under våren 2003. Försöksresultaten ska användas som underlag när beslut om fullskala ska tas 2005. Försöksanläggningen utgörs av fyra linjer; två för aerob behandling och två för anaerob behandling. Anaerob behandling av kommunala avlopp tillämpas i länder med tempererat eller tropiskt klimat (Seghezzo et al., 1998). I länder med kallare klimat har endast pilotförsök varit aktuella, varför erfarenheten om dessa processer är begränsad. Två olika anaeroba metoder ska undersökas parallellt under försökets gång; UASB (Up flow Anaerobic Sludge Blanket) och FB (Fluidized Bed). Ingående vatten genomgår olika förbehandling före den fluidiserade bädden och UASB. Förbehandlingen består av fällning, flockning och sedimentation respektive flotation. Förbehandling av ingående avloppsvatten är viktigt för att avskilja partiklar som kan påverka de anaeroba processerna negativt. Examensarbetet är begränsat till studier om partikelavskiljning för Hammarby Sjöstads avloppsvatten före anaerob behandling. Under försöket ska olika kemikalier, polymerer och naturliga flockningsmedel testas och utvärderas med avseende på partikelavskiljning 1.1 Syfte Syftet med examensarbetet är att i laboratorieskala testa och utvärdera olika fällnings- och flockningsmedels förmåga att avskilja partiklar och partikulärt COD med sedimentering som separationsmetod. Försöksresultaten ska vara underlag till förslag på produkter som kan vara intressanta att testa i försöksanläggningen. Miljöaspekten på fällnings- och flocknings kemikalier ska prioriteras. 1.2 Förutsättningar och målsättning 1) Suspenderat och kolloidalt organiskt material påverkar de anaeroba processernas funktion och effektivitet genom att de kan överbelasta och ackumuleras i reaktorerna. 2) Risken för fosforbegränsning i anaeroba system är liten, varför fosforreduktion m.h.a. fällningskemikalier inte behöver påverka systemet negativt. Fosfatreduktionen ska kontrolleras med stickprover. 3) Ämnena som används för fällning och flockning ska ha minimal miljöpåverkan. 4) Sedimentation och flotation ställer olika krav på flockstrukturen och kan skapa två vatten med olika karaktär. Det finns inget krav på att en produkt ska klara båda fallen. 16

1 Inledning 5) Alkalinitet, temperatur och ph påverkar fällnings- och flockningsmekanismen, varför dessa parametrar ska mätas. 6) Avloppsvattnet från Hammarby Sjöstad skiljer sig i karaktär från normala kommunala avloppsvatten. Vattnet kommer ha en högre koncentration av närsalter, organiskt material och suspenderat material. 7) Det ska vara möjligt att kunna beställa de fällnings- och flockningsmedel som testas till en fullskaleanläggning. Detta medför en begränsning för vilka produkter som testas. 1.3 Hypoteser Undersökningar har visat att olika fraktioner av organiskt material påverkar nedbrytningshastigheten i de biologiska processerna (Ødegaard, 1998). En effektiv förbehandling minskar belastningen på de biologiska processerna samtidigt som dess effektivitet ökar. Större partiklar är svårnedbrytbara för de biologiska processerna samtidigt som de riskerar att sätta igen processen. De biologiska processernas kapacitet kan öka om man avskiljer större partiklar. Det är dock viktigt att kvarhålla löst organiskt material som näringskälla för de anaeroba bakterierna (Elmitwalli et al., 2001). Eftersom de anaeroba processerna inte är uppstartade kommer produkterna endast värderas med avseende på SS-reduktion, COD-reduktion, slamvolym, TS, VS och påverkan av ph. För att kunna värdera fällnings- och flockningsprodukterna ändamålsenlighet för partikelfällning innan anaeroba processer, måste det sättas riktvärden för utgående vatten. Förutom en låg halt SS, hög halt löst organiskt material och låg slamvolym ska mängden av tillsatskemikalier värderas. Miljöaspekten för de olika fällnings- och flockningsmedel som används kommer diskuteras. Ett flockningsmedel med sämre reduktionsgrad, men med en mindre miljöpåverkan kan ses vara ett bra alternativ. 1.4 Utförande Företag med försäljning av fällnings- och flockningsmedel har kontaktats för produkttester och rekommendationer. Olika polymeriserade metallsalter, syntetiskt organiska polymerer och naturliga polymerer skall testas. Dosering och kombination av produkter skall varieras. För metodbeskrivning se kap. 4.2. Försöken utförs m h a Kemiras miniflockulatorer, vilka omfattar en screeningfas där flertalet fällnings- och flockningsmedel testas och jämförs med avseende på reduktion av suspenderat material (SS) och en optimeringsfas där ett mindre antal utvalda produkter testas och analyseras för ett flertal parametrar, såsom SS, ph, fosfor, COD tot, TS, VS och slamvolym att mätas. Analyserna gäller för både ingående och utgående vatten. Litteraturstudien behandlar utbudet av fällnings- och flockningsmedel samt de separationstekniker och anaeroba processer som ska testas i försöksanläggningen. 17

1 Inledning Fullständig optimering av de rekommenderade produkterna ska göras i försöksanläggningen. Detta ingår inte i examensarbetet. Den ekonomiska aspekten på förbehandling är också avgörande. En kostnadsberäkning för de slutliga försöken ska därför ingå i arbetet. 18

2 Bakgrund Konventionell rening av avloppsvatten utgörs oftast av mekanisk rening, biologisk rening och kemisk fällning. Mekanisk rening utgörs i de flesta fall av två steg. Grövre föroreningar avskiljs med galler och ett sandfång, därefter låter man mindre partiklar sedimentera i en sedimenteringsbassäng. För ett normalt kommunalt avloppsvatten kan ca 30 % av de organiska föroreningarna avskiljas under den mekaniska reningen (Kemira Kemi AB). Den biologiska reningen som följer kan vara aerob eller anaerob. Anaerob rening är mest använd för vatten med en hög organisk halt. Ett kommunalt avloppsvatten hör normalt inte till dessa då dagvattnet och eventuellt inläckage späder ut vattnet. För rening av kommunala avlopp låter man det organiska materialet nedbrytas m h a mikroorganismer under syresättning. Mikroorganismerna kan växa på ett fast bärarmaterial, s.k. biofilm, eller som suspenderat, s.k. aktivslamprocess. Kemisk fällning används till stor del för närsaltsreduktion, dvs. reduktion av fosfor. I jämförelse med aeroba reningsprocesser kan anaeroba processer generera energi i form av metangas, det bildas mindre mängd slam samt att processen inte kräver luftning. Luftningen är den största delkostnaden för de aeroba processerna. Exempel på anaeroba reningsprocesser är Fluidiserad bädd (FB) och Up flow Anaerobic Sludge Blanket (UASB). En fluidiserad bädd har ett partikulärt bärarmaterial, t.ex. sand till vilken bakterierna är bundna. I en UASB reaktor bildar bakterierna ett granulerat slam. Partiklarna respektive granulerna hålls svävande m h a av inflöde och gasproduktion och bakterierna kommer på så sätt i kontakt med avloppsvattnet. En litteraturstudie (JTI uppdragsrapport, 2001) angående anaerob behandling vid Hammarby Sjöstads reningsverk har slutsatser och bedömningar gjorts angående de anaeroba processerna, fluidiserad bädd och Up flow Anaerobic Sludge Blanket. Båda processerna visar sig ha stor potential baserat på laboratorie- och pilotskalaförsök. Försöken tyder på att halten suspenderat material kan vara mycket avgörande för den COD reduktion som kan fås. För att få en effektiv process är det viktigt att avskilja så mycket suspenderat material som möjligt, innan den anaeroba processen. Uppehållstiden i reaktorerna är kort, varför det inte kommer att ske någon hydrolys av stora partiklar. Stora partiklar kan därför ackumuleras i reaktorn, vilket gör det svårare att hålla bädden fluidiserad. En lägre temperatur påverkar hydrolysen negativt, varför den hydrauliska uppehållstiden behöver vara högre vid lägre temperaturer (Elmitwalli et al, 2001). Litteraturstudien avser förbehandling av avloppsvatten före anaeroba processer. Studierna har fokuserats på partikelfällning med en laborativ utvärdering av ett antal fällnings- och flockningsmedel som är möjliga att beställa för fullskalaförsök. Kunskap om de anaeroba processerna har delvis hämtats från en litteraturstudie utfört på uppdrag av Stockholm Vatten AB (JTI uppdragsrapport, 2001). Litteratur som avser försök med kommersiella fällnings- och flockningsmedel och tidigare använda naturliga flockningsmedel har gett riktlinjer angående produkternas reduktionsgrad och bästa reaktionsområde, med avseende på temp, ph, inblandningshastigheter, reaktionshastigheter och kombinationer av olika kemikalietillsatser. Litteratur om naturliga flockningsmedel har efterhand fokuserats på de produkter som ska testas. Produkternas miljöpåverkan har diskuterats m h a av tidigare utförda studier angående fällnings och flockningsmedels miljöpåverkan och LCA. Detta material är dock mycket begränsat.

2 Bakgrund 2.1 Fällning och flockning 2.1.1 Introduktion Förfällning är en direktfällning efter vilken vattnet transporteras vidare till en biologisk rening. Vid förfällning avskiljs fosfor och organiskt material. Belastningen på den biologiska processen minskar, varför den hydrauliska uppehållstiden kan kortas ned. Det slam som avskiljs vid förfällningen transporteras vidare till en rötkammare, där energi utvinns i form av metangas. Slamproduktionen ökar med kemisk fällning, dels p g a bildning av kemslam och dels att avskiljt organiskt material hindras att brytas ned i den biologiska processen. Avloppsvatten innehåller lösta, kolloidala och partikulära ämnen. Den organiska fraktionen utgörs av proteiner, stärkelse och andra kolhydrater. Dessa ämnen binder sig till vatten och bildar hydratiserade komplex som repellerar varandra med elektrostatiska repulsionskrafter (Kemira Kemwater, 1999.11). Fetter i avloppsvatten existerar mestadels som hydrofoba partiklar. Rent fett är oladdat, men till dessa partiklar binder sig lätt klorider, sulfater och ortofosfater med van der Waals krafter, varför dessa också blir negativt laddade. För att separera partiklarna från lösningen krävs det att deras ytladdning destabiliseras, varvid partiklar och löst material kan fällas ut eller bindas samman till större aggregat. Lösningen destabiliseras då laddningen neutraliseras och andra krafter, s k van der Waals krafter kommer till att dominera. Partiklarnas ytladdning kan mätas med en Z-meter med vilken man mäter deras Z-potential (Kemira Kemi, okänt årtal). Den negativa laddningen på partiklarnas yta attraherar positiva joner. Dessa är bundna till ytan via molekylbindningar alternativt attraherade till ytan via jonbindningar. Det positiva skiktet i sin tur attraherar negativa joner. Tillsammans bildar dessa joner ett elektriskt dubbelskikt. Dubbelskiktet kan delas upp i ett positivt fixerat laddat Sternskikt och ett negativt laddat rörligt skikt, s.k. Gouy Chapmans diffusionsskikt. Det elektriska dubbelskikt som omger partiklarna i lösningen skapar större repulsionskrafter som är starkare än van der Waals krafter, som verkar på korta avstånd (Jönsson et al., 1998). De elektrostatiska repulsionskrafterna hindrar partiklar att bindas samman till större aggregat, vilket annars underlättar för separationsprocesserna. Små partiklar, s k kolloidala partiklar, oftast definierade som partiklar <1 µm är för små och för lätta för att kunna sedimentera. Partiklar större än 0.1 mm kan avskiljas med sedimentering eller flotation. Mindre partiklar påverkas av ytkemiska krafter. För anaeroba processer, här FB och UASB, har det konstaterats att partiklar större än 4 µm påverkar processen negativt (Elmitwalli, 2001). Då dessa partiklar är för stora för att kunna hydrolyseras i den anaeroba reaktorn, varför det är viktigt att avskilja dessa innan och på så sätt hindra en minskad biologisk aktivitet i reaktorn. Organiskt material kan delas upp i tre olika fraktioner: COD disolved, COD colloidal och COD ss. Ødegaard genomförde en undersökning av skandinaviska reningsverk 1992, som visade att den filtrerade fraktionen (1 µm filter) utgjorde 20-30 % av totalt COD (Ødegaard, 1998). Kolloidalt organiskt material definieras oftast som partiklar < 1 µm (Kemira Kemi, okänt årtal). Flockdensiteten beror på dess material, storlek och flockningsmedel. Partiklar av sand och lera har en densitet omkring 2.50 g/cm 2. Organiskt material har en densitet omkring 1.03 till 1.1 g/cm 2. Kemiska flockar har en densitet i intervallet 1.4 till 2.0 g/cm 3 (Tchobanoglous et al.,1987). I Tabell 2.1.1.1 visas hur partikeldiametern och densiteten påverkar sedimenteringstiden. Oorganiska partiklar av t ex sand och grus hinner sedimentera i ett sandfång emedan organiska partiklar kräver allt för lång tid för att hinna sedimentera. 20

2 Bakgrund Tabell 2.1.1.1 Sedimenteringstider för partiklar beroende på densitet och diameter Partikeldiameter Ytarea, (m 2 /cm 3 ) Sediemteringstid, ρ=1.05 g/cm 2, Stokes lag gäller Sediemteringstid, ρ=1.10 g/cm 2, Stokes lag gäller 1 mm 0.006 37 s 18 s 1 s 0.1 mm 0.06 1 h 31 min 2 min 10 µm 0.6 4 d 2 d 3 h 1 µm 6 1 år 0.6 år 13 d 0.1 µm 60 117 år 58 år 3.5 år Källa: Product Chemistry and flocculation Kemira Kemwater 1999 Sediemteringstid, ρ=2.65 g/cm 2, Stokes lag gäller Inom vattenrening har metallsalter och polymeriserade metallsalter av aluminium och järn sedan länge använts för partikelavskiljning och närsaltsreduktion. Kommersiella polymerer används också, dels som alternativt fällningsmedel och dels som komplement för att påskynda och underlätta flockningsmekanismen. Katjoniska lågmolekylära polymerer används av samma anledning som metallsalt, d v s för att neutralisera partiklar. Högmolekylära anjoniska och katjoniska polymerer används som komplement för påskynda och processen och skapa mindre porösa flockar (Bolto et al., 1996). En del naturliga flockningsmedel har framställts och testats som ett alternativ. Nackdelen är att dessa oftast är dyrare att framställa än de produkter som är tillgängliga idag. De är mindre beprövade samtidigt som kunskapen om deras mekanism är begränsad. De har därför endast fortsatts att användas i utvecklingsländer där kostnaden för syntetiskt framställda produkter är högre (Ndabigengesere et al., 1997). 2.1.2 Mekanism För att kunna avskilja partiklar med sedimentering och flotation behöver man binda samman partiklarna till större aggregat. Koagulering innebär att man destabiliserar de repulsionskrafter som finns mellan partiklarna i lösningen. Koagulering definieras som den reaktion som sker vid tillsats av fällningsmedel under snabb omblandning. Reaktionen innebär hydratisering, adsorption och fällning. Därefter följer en långsam omblandning under en längre tid, då flockar växer till. Denna reaktion kallas flockulering. Ofta benämns hela reaktionen med flockulering (Kemira Kemwater 1999). Det finns fyra olika mekanismer som beskriver flockulering (Tchobanoglous et al., 1987). 1. Kompression av det elektriska dubbelskiktet. 2. Neutralisation av partikelladdning 3. Svepkoagulering 4. Bryggbildning Kompression av det elektriska dubbelskiktet Kompression av det elektriska dubbelskiktet sker då man ökar jonstyrkan i lösningen. Joner med högre laddning, tex. Al(III) och Fe(III) binds till partiklarnas yta m h a van der Waals krafter och kan på så vis medföra att mindre laddningstäta motjoner kommer ut i lösning. En jon med högre laddning binds starkare till partikeln, med van der Waals och Sternskiktet komprimeras. Detta minskar energibarriären som måste övervinnas för att van der Waals krafter mellan partiklarna ska bli verksamma. 21

2 Bakgrund Neutralisation av partikelladdning Neutralisation av partikelladdning innebär att partikelns negativa laddning neutraliseras med tillsats av katjonisk metall eller polymer som binder sig till partikelns yta. Då neutralisationen är fullkomlig reduceras energibarriären till noll och van der Waals krafter, som är starka på korta avstånd, binder samman partiklarna. Det bildas också delvis neutraliserade partiklar med delvis negativt och delvis positivt laddade ytor. Dessa motsatt laddade ytor skapar attraktionskrafter mellan partiklar som får dem att koagulera. Svepkoagulering Svepkoagulering uppstår då metalljoner som binder till partiklarnas yta reagerar med vatten och bildar hydroxider. Dessa växer från partiklarnas yta och bildar stora flockar som sedimenterar. Dessa skapas under sedimenteringsfasen och fångar upp andra partiklar som sveper med fällningen. Mängden metallsalt som krävs för denna mekanism är större än den som krävs vid partikelneutralisering. Bryggbildning Bryggbildning innebär att partiklar binds samman via polymerbryggor och blir då större och tyngre och kan lättare avskiljas. Polymeren har oftast en laddad del som binder till partikelns yta. Dess opolära del binder till andra partiklar och orsakar flockulering. Det krävs att polymeren är tillräckligt lång för att kunna binda flera partiklar till sig och att dess laddning attraheras till partikelytan. 2.1.3 Metallsalter och polymeriserade metallsalter De kemikalier som främst används för fällning är vanligtvis metallsalter av järn(iii) eller aluminium(iii). Dessa kan binda och fälla ut fosfat och löst organiskt material i vattnet. De används också för att neutralisera partiklar och komprimera det elektriska laddningsskiktet. Metallsalter skapar små porösa flockar, varför de är känsliga för hög energi, t ex i form av kraftig omblandning efter att de har bildats. Metallsalter och polymeriserade metallsalter kan skapa ett partikelfritt vatten via svepkoagulering. Nackdelen är att de ökar slamproduktionen p g a fällning, samt att ph sjunker. De produkter som finns på marknaden idag utgörs av metallsalter av järn och aluminium och kalk. Då metallen kommer i kontakt med vatten bildas hydroxider. Det är en snabb reaktion som tar några sekunder. Beroende av vattnets ph bildas olika hydroxidkomplex. För att få en god reduktion ska man se till att partiklarna neutraliseras av de bildade hydroxidkomplexen samtidigt som partiklarna innesluts av svårlöslig aluminiumhydroxid (Kemira Kemi, okänt årtal). Reaktion som sker vid tillsatts av metallsalt i vatten kan sammanfattas som följande: Me 3+ + H 2 O Me(OH) 2+ + H + Me(OH) 2+ + H 2 O Me(OH) 2 + H + Me(OH) 2 + + H 2 O Me(OH) 3 + H + Balansen mellan de olika komplexen är ph-beroende. Järnklorid Järnklorid, FeCl 3, är en traditionell fällningsprodukt som används för partikelfällning och fosfatreduktion. Nackdelen med produkten är hydroxidbildningen som orsakar högre slamproduktion. Då aluminium kritiseras som fällningskemikalie med avseende på hälsa, miljö 22

2 Bakgrund och kostnader har intresset för FeCl 3 som fällningsprodukt ökat. Tester med varierad halt av järnklorid för förfällning på bl. a inkommande kommunalt avloppsvatten har utförts och visat på att koncentrationer av 100 mg/l resulterar endast i ca 50 % SS-reduktion. I kombination med låga halter anjoniska polymerer (0.25 ppm) kan reduktionen öka till över 60 % (Poon et al., 1999). En annan studie, också på kommunalt avloppsvatten, testade en dosering av 50-80 mg FeCl 3 /l vilket gav en SS-reduktion på 50-60 %. Ytterliggare tester på samma vatten med 30 mg FeCl 3 i kombination med 0.2 mg/l anjonisk polymer ökade SS-reduktionen från 48-60 %. Försök med ph sänkt till 6.4-6.5 medförde en ökad SS reduktion till 80 % (Nacheva et al., 1996). FeCl 3 verkar över ett brett ph-intervall. För låga ph 3-5 dominerar adsorption och laddningsneutralisering. För höga ph 6-10 dominerar svepkoagulering (Adin et al., 1998). Det är bevisat att den initiala SS-koncentrationen påverkar SS-reduktionen med FeCl 3. Effekten minskar med ökad dos av FeCl 3. Högst SS-reduktion har vatten med hög initial SS-halt (Nacheva et al., 1996). Polyaluminiumklorid Metallsalter av aluminium bildar snabbt hydroxider. Detta minskar produktens effektivitet för laddningsneutralisering, samtidigt som slamproduktionen ökar. För att förbättra effekten använder man förpolymeriserade koagulanter såsom polyaluminiumklorid. De polymeriserade kräver lägre doser, samt att de har liten inverkan på ph (Gao et al., 2002). Aluminiumprodukter fungerar bättre vid högre ph än järnprodukter (Kemira Kemwater, 1999.11) 2.1.4 Organiska polymerer Organiska polymerer är uppbyggda av monomerer hopbundna till långa raka kedjor. Produkterna delas upp i lågmolekylära och högmolekylära produkter med avseende på deras kedjelängd. Beroende på deras laddning och laddningstäthet kan de också definieras som svaga, starka eller medel anjoniska, katjoniska och oladdade polymerer. Laddade polymerer kallas även för polyelektrolyter. Om olika monomerer binds ihop kallas produkten copolymer (Kemira Kemwater, 1999.11). På detta sätt kan man skapa polymerer med de egenskaper som önskas. Polymerer bidrar inte med någon extra slamproduktion som metallsalterna (Bolto et al., 1996). Katjoniska lågmolekylära polymerer används som komplement till metallsalter. Dessa bildar oftast små kompakta flockar. Fördelarna med dessa är att de inte producerar något extra slam så som metallsalter och att flockarna som bildas är stabilare. Polymererna fäller inte, utan binder endast ihop partiklar m h a partikelneutralisering. En förbehandling med FeCl 3 och anjonisk polymer kan ersättas med katjonisk polymer, men kostnaden är oftast för hög (Ødegaard, 1989). Anjoniska högmolekylära polymerer används i kombination med metallsalter, för att förbättra flockstrukturen och påskynda flockningen. Tester med anjoniska polymerer visar att en låg dos 0.1-0.5 mg/l har en positiv effekt på SS-reduktionen (Poon et al., 1999). Polyakrylamider Polymerer av polyakrylamid används oftast för att skynda på flockningsprocessen i kombination med metallsalt. Anjoniska polymerer binder till de positiva delar av flockarna som består av positivt laddad hydroxid. Polymeren binder ihop flera mindre flockar och tränger bort vatten som 23

2 Bakgrund annars ligger som en film mellan flockarna. Detta medför att flockarna blir tyngre och innehåller mindre vatten. Polyaminer Polyaminer är oftast uppbyggda av kvartära polyaminenheter. De blandas med aluminium och järnsalter och bildar sk. polymeriserade metallsalter. På detta sätt kan en mindre dos metallsalt ge samma resultat samtidigt som man har en mindre ph-sänkning (Kemira Kemwater, 1999.11). Poly DADMAC (Poly Di Allyl Di Metyl Ammonium Klorid) DADMAC är en polymer som oftast används för dricksvattenrening. Det är en linjär homopolymer som är uppbyggd av kvartärt ammonium och två etylgrupper. Den är stark och har en längre hållbarhet i lösning än polyaminer. PolyDADMAC kan liksom polyaminer blandas med metallsalt och har samma användningsområde (Kemira Kemwater 1999.11). 2.1.5 Naturliga polymerer Under senare år har de kommersiella produkternas miljöpåverkan ifrågasatts. De är inte biologiskt nedbrytbara och deras långtidsverkande effekt på människor och djur är inte känd. Naturliga polymerer har fördelen att vara biologiskt nedbrytbara och icke-toxiska. Egenskapen att de är biologiskt nedbrytbara påverkar deras hållbarhet negativt (Kawamura, 1991). I naturen finns det många katjoniska och anjoniska polyelektrolyter som kan vara möjliga att använda för detta syfte. Det som begränsar utvecklingen är oftast kostnaden att försöka utveckla en säker produkt som kan jämföras med de höga krav vi kan ställa på de kommersiella produkterna. Kostnaden att utvinna polymeren kan också vara dyrare än att framställa den kommersiella produkten. Naturliga koagulanter och flockningsmedel har använts i större utsträckning i utvecklingsländer, där kostnaden för de kommersiella produkterna är för hög (Ndabigengesere och Narasiah, 1997). Protein Moriga Oleifera I delar av Afrika och Asien används frö från Moringa Oleifera som fällningsmedel, där den aktiva substansen är ett katjoniskt protein. Moringa Oleifera är ett snabbväxande träd som kan skördas efter ett år och växer i tropiska och en del torra områden. I Sudan används den traditionellt inom vattenrening och flertalet övriga studier har gjorts i andra länder. Jämförelse mellan Moringa Oleifera och aluminium som fällningskemikalie har undersökts i Kanada (Ndabigengesere och Narasiah, 1997). Frö från Burundhi i Centrala Afrika användes till att bereda en 5 % lösning som användes vid försök på ett syntetiskt grumligt vatten. Testerna utfördes på ett syntetiskt avloppsvatten där reduktionen av turbiditet mättes. Testerna visade att Moringa Oleifera med och utan skal kan användas som koagulant som alternativ till aluminium. Frö med skal var dock 10 gånger mer effektivt. Produkten påverkade inte vattnets ph, konduktivitet, alkalinitet. Koncentrationen av ortofosfat, nitrat samt COD i det behandlade vattnet ökade. För att undersöka proteinets potential som flockningsmedel i moderna reningsprocesser framställdes ett rent proteinkoncentrat. Detta gav ingen ökad halt av COD, nitrat eller fosfat. Produkten är vattenlöslig och proteinet förlorade inte sin aktivitet efter att ha förvarats i plastflaska mer än ett år. Testerna visade på en optimal dos på 0.5 1.0 mg/l, vilket var 50-100 gånger lägre än den optimala dosen av aluminiumsulfat. Kasein Ytaktiva proteiner har testats som aktiv substans för partikelfällning med flotation som separationsteknik (Yoshihiro och Maruyama, 2001). Försök på kommunalt avloppsvatten gjordes med kasein och järnklorid som aktiva substanser. Kasein gör flockarna hydrofoba och därför lättare att separera. Vid tillsats av endast järnklorid bildas ett skum under flotationen med hjälp av 24

2 Bakgrund ytaktiva medel i avloppsvattnet. Partiklar fastnade dock inte i skummet, varför turbiditetsreduktionen var väldigt låg. Vid tillsats av mer än 3 mg kasein/l ökade turbiditetsreduktionen till 98 %. Optimal ph för kommunalt avloppsvatten för rening med kasein var ph 5-6. Metoden anses vara lämplig som förbehandling innan biologisk rening och membranprocesser. Chitosan Chitosan är en katjonisk polyelektrolyt som extraheras från olika växter och djur, främst från skaldjursskal. Chitosan framställs genom deacetylering av chitin, vilket är en linjär polymer, olöslig i vatten och organiska lösningsmedel (Kawamura, 1991). Flertalet försök med chitosan för koagulering av kolloidala partiklar är gjorda och rekommenderas för både dricks- och avloppsvatten. Turbiditetsreduktionen för chitosan i kombination med polyaluminiumklorid har undersökts (Pan et al, 1998). För att uppnå samma utgående turbiditet behövs endast hälften så hög dos chitosan som polyaluminiumklorid. Flockarna som bildas med chitosan är också större och sedimenterar snabbare. En 1:4 dosering av chitosan och polyaluminiumklorid skapade inga större flockar, dosen av polyaluminiumklorid var dock lägre för att uppnå samma reduktionsgrad som tester med endast polyaluminiumklorid. En 4:1 dosering av chitosan och polyaluminiumklorid gav liknade resultaten som de som endast var behandlade med chitosan. Reduktionsförmågan av turbiditet och sedimenteringsegenskaperna påverkas av vattnets ph. Chitosan är mer effektivt vid ph 3-5, men fungerar även vid högre ph. Detta beror på ett ökat antal protonerade amingrupper vid lägre ph. Ett lägre ph medför samtidigt att polymeren har en mer rak konfiguration. Därför bildar de mindre och mer porösa flockar. Laboratorieförsök för att jämföra reduktion av naturligt organiskt material (NOM) från dricksvatten m h a chitosan och syntetiska polymerer har gjorts i Norge (Liltved och Norgaard, 2000). Resultaten visar att på att produkterna är jämförbara vad gäller utgående vattenkvalité. Stärkelse Försök med stärkelse som aktiv substans vid partikelfällning har bl. a utförts av Lyckeby Stärkelse. De har dock inte tillverkat någon kommersiell produkt. Archemi AB har en fällningskemikalie i sitt sortiment som är baserad på potatisstärkelse, Purfix 120. Denna är en lågmolekylär katjonisk polymer som används som hjälpkoagulant för att förbättra utfällning av humus, organiska ämnen och fosfor från råvatten, processvatten eller avloppsvatten. Den används även för flockning och slamavvattning. I kombination med metallsalt krävs en koncentration av 5-7 ppm för effekt. Högre doser kan vara aktuella då den inte ska kombineras med andra produkter. Produkten används även för mäldberedning vid papperstillverkning. Tanniner Tanniner är en anjonisk polyelektrolyt som finns i högre växter och används i mat och djurfoder. Tanniner från valoniablommor har extraherats för att undersöka dess kapacitet för avvattning av avloppsslam (Özacar och Sengil, 1999). Resultaten visar på att tanniner fungerar som flockningsmedel för vatten med ph 7-8. Det bildade slammet från behandling med tanniner och Al(SO 4 ) 3 har en lägre specifik resistens och CST (Capillary Suction Time) än ett slam från behandling med Al(SO 4 ) 3, alternativt Al(SO 4 ) 3 och syntetisk anjonisk polymer, här AN913. Tanniner fungerar bra som flockningsmedel. Ett syntetiskt vatten med 300 NTU som ingående turbiditet och ph 8, behandlat med 2.5 mg Al 3+ /l och 1.0 mg tannin/l uppnådde en turbiditetsreduktion på 99.9%. Bioflockulenter Bioflockulenter är polymerer producerade av mikroorganismer under dess tillväxt. Osäkerheten om syntetiska flockningsmedels toxicitet, har ökat intresset för dessa produkter, speciellt inom 25

2 Bakgrund livsmedelsindustrin. Bakterier omvandlar effektivt stärkelse till polysackarider som kan användas som flockningsmedel. Flockningsmedlets värmetålighet beror på dess halt av polysackarider och protein. Proteinbaserade flockningsmedel är mindre värmetåliga än de av polysackarider. MBFA9 är en bioflockulent, producerad av Bacillus mucilaginosus isolerad ur jordprov. MBFA9 innehåller 93 % polysackarider och inget protein och har en molekylvikt på 2.6x10 6. Tester har utförts på kaolinsuspenderat vatten och stärkelsevatten där MBFA9 har använts som flockningsmedel. För kaolininnehållande vatten och stärkelsevatten har MBFA9 uppnått 99.6% respektive 85.5 % reduktionsgrad för SS. Bästa resultatet för stärkelsevatten, 85.5 %, uppnåddes då CaCl 2 tillsattes som koagulant för att neutralisera de organiska partiklarnas negativa laddning. Bioflockulentens långa molekylkedja medförde att många partiklar kunde binda till samma kedja och skapa stora tredimensionella flockar som sedimenterade lätt. Jämförelse med andra bioflockulenter visade att MBFA9 hade en högre molär flockningsaktivitet än de andra. Molekylvikt och funktionella grupper är avgörande för bioflockulentens flockningsaktivitet (Deng et al, 2002). 2.1.6 Faktorer som påverkar flockningsmekanismen Flockbildningen påverkas av ett flertal kemiska och fysikaliska faktorer. ph ph påverkar flockningsmedlets effektivitet, framför allt metallsalterna är ph-känsliga. Beroende av vattnets ph bildas olika metallkomplex i olika utsträckning. Generellt fungerar järnsalter över ett bredare ph intervall, men har ett lägre optimalt ph än aluminiumsalter. Det är viktigt att kontrollera ph vid en låg dosering, högre dosering medför svepkoagulering, vilken är mindre phberoende. Fällningskemikaliens basicitet Produktens basicitet påverkar flockningsprocessen. Detta är ett mått på hur många vätejoner produktens metalljoner kan frigöra. Maximalt frigörs tre vätejoner per aluminiumjon, då bildas Al(OH) 3. Desto högre basicitet, desto mindre kommer produkten att påverka ph och alkalinitet. För partikelfällning uppnår produkten ett maximal basicitet med avseende på partikelreduktion (Kemira Kemwater, 1999). Försök visar på att ett aluminiumsalt med låg basicitet fäller först ut ortofosfater och därefter partiklar. För ett aluminiumsalt med hög basicitet är situationen den motsatta. Alkalinitet/VFA Vattnets alkalinitet mäter dess buffrande förmåga, dvs. dess förmåga att binda upp vätejoner. Ett vatten med hög alkalinitet påverkas mindre vid tillsats av syra än ett vatten med låg alkalinitet. Metallsalter har oftast ph 1-2. För att inte störa de anaeroba processerna är det viktigt att kontrollera, så att det inte sjunker under ph 6.5. Lättflyktiga fettsyror är ett mellansteg i den anaeroba nedbrytningsprocessen av organiskt material, såsom protein, kolhydrater och lipider. De bildade VFA sänker vattnets ph. Då ph sjunker missgynnas de metanproducerande bakterierna, varför ph fortsätter att sjunka. För att inte påverka den anaeroba processen är det bra att inte förbruka för mycket av vattnets alkalinitet under förbehandlingen. Omrörning Snabb omröring är viktigt vid tillsats av metallsalt. Desto långsammare inblandning desto mer hydroxid bildas. En snabb omrörning ökar chansen att metalljonen kommer i kontakt med partiklar istället för vattenmolekyler. För att kunna neutralisera partiklar, krävs det att inte alla 26